1、影響銅與稀硝酸反應速率因素的研究廣州市第6 中學本課題的來源是廣州市6 中高三化學班期中考試中的一道實驗題。題目是：銅和稀硝酸在常溫常壓下反應，開始時反應速率非常慢，但是隨著反應的進行，反應速率不斷地加快。這是什么原因？大多數學生意見不一，有的說是因為銅和稀硝酸的反應是放熱反應，隨著反應的進行不斷放出熱量，是溫度升高而使反應的速率增大；有的則說是反應過程中生成了氣體，使反應體系的壓強增大，因而后來的反應速率也隨之增大。大家都為此爭論不休，溫度、濃度、壓強，到底是哪一個因素使反應后來的速率增大了呢?為了尋根究底，3個學生決定自己動手去做實驗。 老師點評：課題來源于課本，來源于練習，這是研究性學習

2、實施的具體化。 （一）試驗階段 針對影響化學反應速率的因素濃度、壓強、溫度，學生逐一進行了分析。學生認為，隨著銅和稀硝酸反應的進行，硝酸的濃度應該是不斷減少的，而銅的量則不影響該體系的速率，由上只能推論反應速率應不斷減少，故不可能是濃度因素引起后來反應速率的增大。濃度這一因素被排除了。 學生通過認真觀察分析發現，整套實驗發生裝置是與大氣相通的，因而該反應體系可看作是恒壓體系，生成的氣體會不斷地向外排出，故生成的氣體不會使體系的壓強增大，因此壓強也不是影響該反應后來反應速率增大的主要因素。那么，到底主要因素是不是溫度呢? 學生翻閱了手頭上的文獻資料，文獻對于溫度這一因素予以肯定，注解是說反應放出

3、的熱量加快了后來的反應速率。針對這一說法，學生做了以下實驗。 老師點評：學會提出問題是研究性學習的重要內容之一。實驗一：探討溫度對反應速率的影響 1.實驗準備 試劑：濃度為13的稀硝酸，5片小指頭大的銅片(已除氧化膜)，10的NaOH溶液(用于吸收實驗產生的尾氣) 儀器：平底燒瓶，帶導管和溫度計的膠塞，燒杯。(實驗裝置如圖1)圖1銅與稀硝酸反應的裝置2.實驗過程：常溫常壓下，讓稀硝酸和銅充分反應，觀察并記錄實驗現象，每隔5分鐘記錄溶液的溫度。 3.實驗結果和實驗現象隨著反應的進行，溫度的變化如表1所示：(實驗結果如表1)表l 在反應過程中，溫度的變化和實驗現象時間（min）溫度（）現象025銅

4、片表面出現小氣泡，但是速度比較緩慢52526溶液有很淺的藍色，氣泡生成速度有少許加快3026.2溶液淺藍色加深，氣泡開始均勻冒出3526.5氣泡均勻不斷冒出4026.7在燒瓶中出現很淡的黃色4526.9淡黃色逐漸清晰可見508027溶液中藍色明顯變深，燒瓶中出現淺棕色  4.數據處理： 溫度變化隨著反應時間的函數關系如圖2所示。 5.實驗結論 雖然此反應為放熱反應，但在一個多小時的反應過程中，溫度僅升高2，并且在反應速率增大的同時，溶液溫度并沒有明顯提高。因此，我們認為，溫度不是影響反應后來速率增大的最主要因素。 老師點評：提出問題實驗設計數據分析和處理（實驗現象和討論）實驗結論，這

5、是科學素質的具體體現。三位學生提出的實驗設計思路，以及采取數據處理的方式，例如，表1的設計，圖2的設計均具有很高的科學素養。 （二）進一步探討 既然以上各種都不是主要因素，那么會是什么呢?根據影響化學反應速率因素的理論得知，除了溫度、濃度、壓強，就只有催化劑了。我們又想到，既然是反應到一定階段速率才逐漸加快，那么不可能是反應中段另外加入催化劑，那么只可能是反應的產物對該反應有催化作用。到底是什么呢?3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O， 我們首先想到的是生成的銅離子。于是，我們做了以下試驗：用兩支試管分別盛等量的銅片和稀硝酸，標號A、B，在A試管中加入少量的CuSO4

6、83;5H2O晶體，然后對比兩支試管的現象。我們發現，A的反應速率并不比B快。而且兩試管的現象基本相同。這就告訴我們，Cu2+并不是反應的催化劑。 老師點評：在中學學習中所涉及到的催化劑均是指加入催化劑加快了化學反應速率。三位學生針對此課題提出了：“在反應過程中產生了催化劑的假設”是一種創新思維。這一點是他們課題的精華。 我們有點百思不得其解，畢竟我們熟悉的催化劑并不多，這個失敗了，也就一點線索都沒有了，我們失望了，有點前功盡棄的感覺。無助之時，想到的還是向老師請教。老師建議我們去找一些高等化學教材看一下，可能會有意外收獲。在圖書館里轉啊轉，一本又一本地瀏覽著。正是“山窮水盡疑無路，柳暗花明又

7、一村”，我們終于找到了答案。 老師點評：學會查閱文獻是解決問題的方法之一。 文獻中指出：“作為氧化劑，稀硝酸不同于濃硝酸之處在于稀硝酸的反應速率慢，氧化能力較弱，被氧化的物質不能達到最高價態，如Hg2+。稀硝酸的氧化作用可以認為首先被還原為NO2，但是因為速度慢，NO2的產量不多，所以它來不及逸出反應體系就又被進一步還原成NO或N2、NH4+等。 從反應機理上看，硝酸的氧化性與硝酸中經常會存在由光化分解而來的NO2催化作用有關。NO2起著傳遞電子的作用： NO2+e-=NO2- NO2-+H+=HNO2 HNO2+HNO3=H2O+2NO2 硝酸通過NO2獲得還原劑的電子，反應便被加速。發煙硝

8、酸有很強的氧化性，就是因為在酸中溶解有很多的NO2的緣故?！?原來催化劑是反應生成的氣體NO2，經過一番波折，我們終于弄明白了。知道了反應的機理，我們決定自己用實驗去驗證一下，好讓自己有更深刻的印象。當然，第一步就是設計實驗。應該怎樣驗證NO2能增大反應速率呢?做一個對比實驗吧!實驗二 驗證NO2對反應速率的影響 1.實驗準備 試劑：濃度為14的稀硝酸，小銅片，濃硝酸(用于制NO2作為催化劑)，10的NaOH溶液。 儀器：試管，導氣管，帶膠塞的導氣管，帶鐵夾的鐵架臺，燒杯等。(實驗裝置如圖3所示)圖3 驗證NO2對反應速率影響的對比實驗裝置 2.實驗過程 用A、B兩支試管，分別取等量的稀硝酸和

9、銅片，往其中A試管中通入NO2，對比并記錄兩試管內現象的變化。 老師點評：對比性實驗設計是判斷某物質是否為催化劑的常用方法。 3.實驗結果與實驗現象： 如表2所示：表2 驗證NO2對反應速率影響的對比實驗現象通入NO2 （通入時間為4min）沒有通入NO2反應時間（min）現象反應時間（min）現象0反應開始0反應開始2銅片表面出現小氣泡40看不到現象3氣泡不斷增多，生成速度加快43銅片上出現極少量氣泡4溶液顯出淺藍色，氣泡連續不斷地生成，速度很快53氣泡逐漸增多變大5-30反應繼續，溶液藍色逐漸明顯，且在試管中出現淺黃色，氣泡生成速度較前段時間慢69溶液顯出淺藍色，氣泡繼續增多變大，反應速度

10、很慢40反應結束，試管中出現淺棕色，導氣管口出現倒流   4.實驗結論 NO2對該反應的確能加快銅與稀硝酸的反應速率，使反應開始后幾十分鐘才能觀察到的反應現象在幾分鐘內迅速可見。可見反應中生成的NO2為催化劑才是銅與稀硝酸反應后期反應速率不斷增大的主要因素。為了進一步驗證NO2作催化劑的催化歷程，是否由NO2得電子轉化為NO2-從而起到加快反應速率的作用，我們想到了用亞硝酸鹽做催化劑進行試驗。實驗三 進一步驗證NO2的催化歷程 1.實驗準備及過程 取試管加入銅片，再加入幾粒NaNO2晶體，注入硝酸，觀察記錄其現象。 2.實驗結果與實驗現象 通過仔細觀察和計時，得到的實驗結果

11、和實驗現象如表3所示：表3 在銅與稀硝酸反應體系中加入少量NaNO2晶體的實驗現象反應時間（s）現象0反應開始1銅片上出現氣泡30 氣泡數目增多，生成速度變快60 溶液變成淺藍色，氣泡不斷均勻生成240 試管中出現淺棕色氣體30(min)  銅片全部溶解，溶液藍色明顯變深，反應結束 3.實驗結論 可見，NO2-同樣起催化作用，即NO2催化歷程的確是由于得電子形成NO2-而加快速率的。 這是一次實踐的鍛煉。另外，我們也明白到，對于科學研究，耐性和信心是很重要的，銅與稀硝酸反應初期的速率實在很慢，我們在做對比實驗的時候，用希望的眼神盯住那試管已經40多分鐘之久了，它還是沒有任何現象。我們

12、甚至懷疑是否硝酸有問題了，于是用pH試紙去測其pH值。測得的結果是1，讓我們有了繼續等下去的決心和動力。終于，堅持就是勝利，等了一個多小時，我們終于取得了第一手實驗資料，為課題的研究奠定了基礎。這是一次成功的嘗試。實驗使我們獲得了一大堆零散的實驗數據，我們需要總結、處理、加以利用。我們冷靜地分析與討論，將數據以不同的圖表形式表現出來，完成了研究報告。所以說，這是一次能力的提高。 研究性學習，使我們學會了提出、分析和解決問題，學會了與人合作和分享，學會了堅持不懈、不斷嘗試，更深一點來說，是學會了擺脫安逸感，體驗生活和體驗人生。也許，這正是研究性學習的意義所在吧! 點評歸納：1課題來源于課本，來源于練習，這是研究性學習實施的具體化。2進行理論的探討和分析，提出假設，學會提出問題是研究性學習的重要內容之一。3提出問題實驗設計數據分析和處理(實驗現象和討論)實驗結論提出新問題，這是科學素質的具體體現。三位學生提出的實驗設計思路，以及采取數據處理的方式，例如，表1的設計，圖2的設計均具有很高的科學素養。4提高學生記錄、處理和分析表格數據的能力，是新課程理念對化學教學的要求，也是近幾年的高考試題中的熱點考查的類型。我們相信，學生在“我與化學”活動中經歷過一次實際的訓練，不僅能體驗科學研究的思路與方法，而且能